Bề mặt Lý - Trần ở tầng hai có rất nhiều hiện vật được phát hiện, như những nền cung điện, có kích thước một chiều hơn 60 mét, chiều kia 27 mét. Có 40 chân cột, rồi cả giếng cổ, gạch, phù điêu. Có tượng rồng, phượng mà được các nhà nghiên cứu mỹ thuật khẳng định là mô típ hoa văn thời Lý. Rồi đến những tầng lớp bên trên, thời Lê, Nguyễn đều tìm được nhiều hiện vật. Tổng cộng là ba triệu hiện vật. Khi tiến hành khai quật ở hố B16 thuộc địa điểm dự kiến xây dựng toà nhà Quốc hội mới, Viện khảo cổ học đã phát hiện một toà lâu đài 3 tầng lầu, 4 mái, dạng hình tháp toạ lạc trên một diện tích xấp xỉ 1000 m2 thuộc hệ thống các cung điện Thăng Long xưa. Theo đánh giá thì đây là công trình đầu tiên, có tầm cỡ và giá trị nhất được tìm thấy từ trước đến nay. Việc phát hiện ra lâu đài này được coi là bằng chứng rõ ràng nhất về sự hoành tráng của kinh thành Thăng Long từ thời Lý-Trần. Mặc dù trước đây các nhà khảo cổ đã đoán định được di chỉ này nằm trong khu vực hoàng thành, thậm chí là cấm thành Thăng Long suốt từ thời Lý, Trần đến Lê nhưng do tiến hành khai quật quá nhanh khiến cho nhiều tầng lớp kiến trúc không thể hiện rõ.

Giai đoạn đầu, tại các hố A1, A1MR, A2, A2MR, A3, A4, A9, A10, A11, A12, A13 trong các lớp đất ở độ sâu trung bình trên dưới – 1,50 m so với “cốt” cao độ của mặt bậc thềm đá Đoan Môn, xuất lộ những ô sỏi trộn lẫn đất sét. Sỏi ở đây khá thống nhất về kích thước, chỉ khoảng bằng hoặc to hơn đầu ngón chân cái, chứng tỏ đã được chọn lọc. Hiện vật thu được trong các lớp đất này được xác định có niên đại thời Lý. Các ô sỏi này thường có hình gần vuông, mỗi cạnh khoảng 1,30 m và ăn sâu xuống các lớp dưới, dày trên dưới 1,00 m. Điều này chứng tỏ đây là các hố đào có chủ đích để đầm - nhồi sỏi cuộn với đất sét. Đáy của các hố sỏi này nằm trong lớp đất chứa các hiện vật được xác định có niên đại Đinh - Tiền Lê.

Các ô sỏi nói trên xuất hiện trong các hố từ A1 đến A18. Tổng cộng có tất cả 40 ô sỏi, xếp thành 04 hàng dọc (hai hàng phía đông có 10 ô trong một hàng, hai hàng phía tây mỗi hàng chỉ có 09 ô). Có lẽ đây chính lá các hố sỏi gia cố dưới các chân tảng đá kê dưới chân các cột. Nói chính xác, theo ngôn ngữ kiến trúc – xây dựng, đó là các móng trụ. Kết quả đo đạc đã giúp khẳng định đây là phế tích của một kiến trúc có bộ khung chịu lực bằng gỗ có 04 hàng chân cột. Khoảng cách giữa các cột Quân với các cột Cái là khoảng 3,00 m. Khoảng cách giữa các cột Cái là khoảng 6,00 m. Từ Bắc xuống Nam đã xác định được 10 vì, nghĩa là ít nhất kiến trúc này có 09 gian. Tuy nhiên, chưa thể khẳng định về số gian bởi dấu vết của kiến trúc này còn phát triển kéo dài về phía Bắc, ngoài khu vực khai quật. Bước gian của kiến trúc này rất lớn, khoảng 5,80 m – 6,00 m. Trên thực tế, bước gian của các di tích kiến trúc bằng gỗ cổ truyền hiện còn đứng vững trên mặt đất thường nhỏ hơn.

Chưa lý giải được nguyên nhân của sự chênh lệch về số lượng các móng trụ của các hàng móng trụ phía Tây nhưng ở đây chắc chắn đã có 04 móng trụ sỏi gia cố cho 01 chân tảng cột Cái và 03 chân tảng cột Quân. Khoảng cách giữa hai hàng móng trụ sỏi cuối cùng chỉ là 4,1 m chứng tỏ đây chính là không gian của chái phía Nam. Cách tim của các móng trụ gia cố chân tảng cột Quân phía Đông khoảng 4,5 m và chạy dài suốt chiều rộng của “toà nhà nhiều gian” nói trên còn thấy xuất lộ một cống thoát nước được xây-xếp bằng gạch (hoàn toàn không thấy dấu vết của chất kết dính dạng vôi vữa), lòng cống rộng 0,17 m – sâu 0,20 m. Ngoài lớp gạch đặt nằm làm đáy, hai bên thành của rãnh thoát nước này được xếp nghiêng hai lớp gạch. Kích thước trung bình của gạch ở đây là 0,36 m x 0,20 m x 0,05 m). Về phía Đông, sát cạnh cống thoát nước này là một thềm gạch rộng 0,76 m chạy dọc suốt chiều dài đường cống. Gạch lát thềm là gạch vuông 0, 38m x 0,38 m x 0,07m. Có chỗ còn lát lẫn cả gạch in hoa.

Một phần của khu di tích 18 Hoàng Diệu.

Cách tim của các móng trụ gia cố chân tảng cột Quân phía tây khoảng 2, 5m cũng xuất lộ một cống thoát nước khác. Dấu vết của cống phía tây bị đứt quãng ở góc Tây Nam “toà nhà nhiều gian”, khu vực bị mất 04 móng trụ gia cố chân tảng. Gạch xây-xếp cống thoát nước này là loại chuyên dụng, được sản xuất chỉ để dùng làm cống-rãnh. Các viên dùng lát đáy có mặt cắt hình thang cân. Những viên dựng hai bên thành có hình bình hành. Với hình dáng đặc biệt như vậy nên chỉ cần đào rãnh, đặt các viên gạch chuyên dụng này xuống là thành cống. Cách tim của các hố sỏi gia cố chân tảng cột Quân phía nam khoảng 4,5 m lại cũng xuất lộ một đoạn cống xây xếp bằng gạch chuyên dụng tương tự. Các đoạn cống xây xếp bằng gạch chuyên dụng phía tây và phía nam “toà nhà nhiều gian” nếu còn nguyên vẹn sẽ “bắt” vuông góc chái Tây Nam. Các đường cống này chính là các rãnh thoát nước mưa của “toà nhà nhiều gian”. Các cống này đều không có nắp để có thể hứng nước mưa rơi thẳng xuống từ hàng ngói lợp cuối cùng của mái. Nghĩa là các rãnh thoát nước mưa này chính là giới hạn của mặt bằng mái. Nói cách khác, số đo giữa các rãnh thoát nước này cho biết về chiều rộng và chiều dài của công trình kiến trúc. Khoảng cách từ tim rãnh thoát nước phía Tây đến tim rãnh thoát nước phía Đông là 17,65 m. Đó chính là kích thước chiều rộng của “toà nhà nhiều gian” này. Chiều dài của kiến trúc này hiện chưa khẳng định được. Nhưng nếu giả định “toà nhà nhiều gian” có 09 gian thì kích thước này sẽ là khoảng 67 m. Theo số đo, phế tích này cho thấy một công trình kiến trúc to lớn theo đúng nghĩa đen. Tuy nhiên chưa thể xác định công năng của kiến trúc này. Chỉ biết rằng “toà nhà nhiều gian” này chạy dài theo trục Bắc – Nam, mở cửa ra cả hai hướng Đông và Tây.

Về phía Tây của toà nhà nhiều gian, cách tim các móng trụ sỏi gia cố hàng chân tảng cột Quân phía tây 4, 90m, đã tìm thấy những móng trụ gia cố chân tảng khác. Vật liệu gia cố có phần đa dạng hơn, ngoài sỏi (tương tự như sỏi ở các hố đã nêu trên) còn có cả ngói vỡ vụn, được nhồi đầm theo chu kỳ 1 lớp sỏi lại 1 lớp ngói vụn. Hình dạng của các hố đào cũng khác, có hố tròn (đường kính từ 1,10 m đến 1,30 m), có hố vuông (1,20 m x 1,20 m). Bố cục của các móng trụ chân tảng này khá đặc biệt: 06 trụ móng tròn quây quanh một số trụ móng ở chính giữa. Khoảng cách trung bình giữa tim của các móng trụ tròn là khoảng 1,30 m. Tim móng trụ vuông trùng với tâm của đường tròn ngoại tiếp hình lục giác, cách tim các móng trụ tròn một khoảng 1,30 m.